Солнечная тепловая энергия. Пассивное солнечное нагревание
Раньше было:
Сила, энергия и мощность.
Возобновляемая энергия. Введение
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Солнечная тепловая энергия
1. Введение
2. Солнечный водонагреватель на крыше
3. Природа и пригодность солнечного излучения
4. Солнечная радиация и времена года
5. Удивительные свойства стекла
6. Использование низкотемпературного оборудования на солнечной энергии - 1, 2
7. Активное солнечное нагревание
8. Пассивное солнечное нагревание
История
Все застекленные здания фактически имеют пассивный солнечный обогрев, т.е. они естественные солнцесборники. Максимального искусства использования солнечного тепла достигли древние римляне, которые разместили стекла для сбора света в месте наиболее частых общественных встреч - в термальных банях. В Помпеях были найдены оконные проемы шириной 2 м и высотой 3 м.
После падения Римской Империи на тысячелетие была утеряно умение делать действительно большие оконные стекла. Это умение было восстановлено только в конце 17-го столетия, когда во Франции стали делать зеркального стекла размером до 2 м.
В целом, города 18-го и 19-го столетия отапливались и освещались плохо. Это было конца 19-го столетие, когда при планировании городских кварталов стали учитывать необходимость улучшения систем теплозащиты и освещения. Это стало применяться, т.к. было установлено, что ультрафиолетовый свет убивает бактерии. Солнечный свет и свежий воздух стали основой выбора проекта зданий «новых городов» Великобритании, подобно Солнечному Порту возле Ливерпуля, построенного, чтобы улучшить условия жизни работников мыльной фабрики.
Планировщики тогда еще не знали, что ультрафиолетовый свет не проникает сквозь стекла окон, но традиция обеспечения доступа большого количества солнечного света продолжалась, подкрепленная поисками способа поддержания баланса гормонального фона человека в зимнее время. Без этого к середине зимы у людей развивается зимняя депрессия.
Пока в Великобритании было достаточно угля, к использованию солнечной энергии при строительстве зданий проявляли малый интерес. Поэтому строительство здания школы в Вэллеси (Wallasey, Чешир) в 1961 году с использованием более раннего опыта строительства в США и во Франции, было в целом новым:
Секция школы, схема:
Перевод надписей:
Рассеивающее стекло.
Стеклопакет из 2-х стекол, с промежутком 0,6 м.
Бетон 125 мм.
Направление на север.
Изоляция 125 мм.
Бетон 200 мм.
Кирпичная стена 200 мм, облицованная штукатуркой.
Покрытие 100 мм.
Прямое использование зданий как солнечных накопителей
Школа в Вэллеси построена в классическом стиле. В ней были заложены проектные решения будущего по пассивному использованию солнечного тепла (они имеют существенные особенности, требуемые для пассивного солнечного нагревания):
- большая площадь стены, выполненной фактически из стекла, для сбора тепла солнечного света;
- термосберегающие конструкции (плотный бетон или кирпич). Эти камни накапливают солнечное тепло днем и ночью;
- толстая изоляция конструкций фасада для сохранения тепла.
После ее строительства построенная ранее теплосеть на базе сжигания нефти оказалась не нужна и была на время отключена, а обогрев здания полностью осуществлялся за счет солнечной энергии, отраженного тепла от блестящих поверхностей и тепла тел студентов.
Вариант использования пассивного солнечного нагревания за счет суперизоляции
Хотя здание школы в Вэллеси представляет конструкцию зданий с низким потреблением энергии, есть и другие. Дом Wаtes, построенный в Mахynlleth в Уэльсе в 1975 был одним из первых суперизолированных зданий в Великобритании. В нем использовано 450 мм стеновой изоляции и маленькие застекленные бойницы-окна. Это был прогрессивный проект, т.к. обычные британские дома в это время были построены с рамами с одним стеклом и не имели никакой изоляции стен, а в новых Правилах строительства были только требования по установке 25 мм изоляции чердака.
Дом Wаtes расположен низко в горной долине, что, конечно, не очень хорошо для пассивного солнечного нагревания. Фактически, он обогревался и освещался электричеством от ветротурбины.
Который из двух проектов лучше - пассивный солнечный обогрев или применение суперизоляции? На этот вопрос нелегко ответить. Искусство разработки проекта для пассивного солнечного нагревания заключается в том, чтобы понять прохождение потоков энергии в здании и максимально их использовать. Там должно быть достаточно солнечного обогрева, чтобы обеспечить обогрев зимой. Потери тепла могут быть уменьшены за счет применения хорошей изоляции. Солнечная энергия также нужна, чтобы обеспечить необходимое освещение, но ее должно быть не так много, чтобы летом не было перегрева.
Баланс энергии окна
Мы можем использовать окно на южной фасадной стене в качестве пассивного нагревательного солнечного элемента. Солнечное излучение попадает в дом в течение дня, и, если внутренняя температура внутри здания выше, чем необходимо, полученное тепло преобразуется и излучается назад.
Возникает вопрос, не уходит ли при этом больше тепла, чем необходимо, и обеспечивается ли при этом в сети экономия энергии сети. Ответ зависит от нескольких вещей:
1. средняя внутренняя температура здания;
2. средняя внешняя температура;
3. доступность солнечного излучения;
4. оптические характеристики окна (коэффициент пропускания), его ориентация и тонировка;
5. U-показатель окна, от которого в свою очередь зависит, одинарное или двойное застекление (или даже качество изоляции).
Энергетический баланс окна в Лондоне и Карпентрасе.
Перевод надписей:
Чистая сетевая энергия
Потери сетевой энергии
Одинарное
Двойное
На приведенном рисунке показан среднемесячный «баланс энергии» на южном фасаде здания, построенного вблизи Лондона, имеющего среднюю внутреннюю температуру около 18°C. В темные, холодные месяцы, декабрь и январь, через одинарные окна и окна, застекленные двойным стеклом, идет потеря энергии. Однако, в осенние и весенние месяцы, ноябрь и март, двойное застекленное окно становится положительным помощником сохранения тепла в здании. В ночные часы можно снизить потери за счет улучшенной теплоизолировки здания.
Мы можем сравнить это с подобным балансом энергии для Карпентраса, возле Авиньона, на юге Франции (также см. рис. выше). Хотя в средние зимние месяцы там почти также холодно, как и в Лондоне, они более солнечны, т.к. город находится на более низкой широте. Зимой поступает гораздо большее солнечного излучения, чем теряется тепла, и даже в зимой баланс энергии положителен.
Для Великобритании необходимо рассчитывать, как лучшее использовать доступную солнечную энергию.
В период длительного теплого сезона двойное застекленное окно на южном фасаде - хорошая вещь. Это может решить вопрос снабжения теплом в течение октября и ноября, марта и апреля. С другой стороны, в период холодных месяцев, в декабре и январе, их тепла не хватит для обогрева.
Как долго длится сезон использования нагрева?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, мы должны рассматривать остальную часть здания, его изоляции и его так называемые «свободные» потери тепла.
В типичном доме, для поддержания внутреннего температуры, необходимо добавлять тепло с учетом внешней температуры воздуха. Чем больше разница температуры между температурой внутри здания и снаружи, тем больше тепла нужно добавлять. Летом, возможно, в этом не будет необходимости, но зимой необходимо добавлять тепло в больших количествах. Общее потребление тепла, которое нужно добавлять в течение года, может быть достаточно большим.
Снабжение возможно от трех источников:
1. «естественный свободный нагрев», который слагается из тепла окружающего воздуха, нагретого здания и от нормальной жизнедеятельности людей (тепла тел людей), тепла от кулинарии, мытья, освещения и бытовой техники. Каждый из источников отдельно вносит незначительный вклад. Но вместе они вносят существенный вклад в общую систему нагрева. В типичном британском доме, это может равняться 15 кВт*час за день;
2. пассивные солнечные поступления, большей частью через окна;
3. энергия ископаемого топлива от нормальной теплосети.
Рассмотрим в качестве примера ежемесячный средний расход тепловой энергии в отдельном доме, построенном в 1970-е годы в Великобритании (в аналогичных домах живут люди в Северной и Центральной Европе). Как показано на рис. 2.28, расход энергии выше в холодные месяцы середины зимы, чем в теплые весны и осени. Летом, когда внешняя температура воздуха высокая, требование дополнительного нагрева убывает до нуля.
Необходимые дополнительные объемы тепла для обогрева типичного отдельно стоящего дома в Британии постройки 70-х годов.
Перевод надписей:
Суммарный солнечный нагрев.
Ежедневная энергия, кВт*час
Средние U-показатели:
стен и окон
крыши
Полезное солнечное тепло 3 000 кВт*час за год
Сетевой космической нагрев 13 000 кВт*час за год
Полезное свободное/бесплатное тепло 5 000 кВт*час за год
Как показано на рис. выше, для этого выбранного дома в течение года определен спрос на энергию в 21 МВт*час, 5 МВт*час получают от естественного поступления тепла и 3 МВт*час - поступление от Солнца (мы пересчитали естественное поступление солнечного тепла в виде солнечной энергии).
При ином расположении здания количество поступающей пассивной солнечной энергии составляет уже 14% необходимого тепла. Получение тепла от теплосети, работающей на ископаемом топливе, требует большого теплового потока мощностью 13 МВт*час. Такое теплоснабжение будет необходимо с середины сентября до конца мая.
Можно снизить спрос на домашнее тепло, используя дополнительную изоляцию чердака и сдвоенные стекла вместо одинарных. Это сократит спрос на нагрев и, как показано на рис. ниже, позволит лучше использовать возможности солнечного нагрева для поддержания внутренней температуры дома в течение более длинного периода года. (Установленные уровни необходимой изоляции типичны для новых датских домов, постройки начала 1980-х, стандарты при этом, в конечном счете; приблизительно соответствуют британскими Правилам строительства 2002 года).
Необходимые дополнительные объемы тепла для обогрева дома, построенного по обычному проекту, но с улучшенной теплоизоляцией.
Отопительный сезон длится с октября до конца апреля. Во время не максимального спроса на тепло от общего нагрева получают тепла 11 МВт*час, и еще 5 МВт*час от свободного солнечного тепла. Но при улучшенной изоляции можно будет использовать от солнечного излучения только 2 МВт*час. Наконец, 4 МВт*час получают из обычной теплосети.
При изолировке дома, 9 МВт*час за год будет сохранено в программе использования твердого топлива, но общий вклад от солнечной энергии (расчет приблизительный) снизится от 30 до 2 МВт*час.
Есть два пути, при которых нагрев за счет энергии космоса мог бы быть снижен в будущем:
1. Обеспечение дополнительной изоляции. Если дом был суперизолирован изоляцией в 200 мм или больше, потребность в энергии, получаемой из космоса, возможно, исчезла бы почти целиком, осталось бы только немного для охлаждения в жаркие дни. Солнечные добавки, возможно, не были бы нужны.
2. Использование соответствующего застекления, чтобы гарантировать лучшее использование зимнего солнца.
Который из этих методов лучше выбрать, зависит от местного климата и относительного расхода материалов изоляции и застекления. В зависимости от конкретных обстоятельств, возможно легче получить дополнительно 100 МВт*час солнечной энергии, чем сохранить 100 МВт*час за счет добавочной изоляции. Это также зависит от желательной эстетики здания и потребности в естественный дневном свете для освещения внутренних помещений.
Продолжение следует
.